Dokument: A multisystemic approach to investigate the role of polystyrene nanoparticles in neurodegeneration

Titel:	A multisystemic approach to investigate the role of polystyrene nanoparticles in neurodegeneration
Weiterer Titel:	Ein multisystemischer Ansatz zur Untersuchung der Rolle von Polystyrol-Nanopartikeln bei der Neurodegeneration
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=64423
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20231218-153744-2
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Schröter, Laura [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 5,98 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 18.12.2023 / geändert 18.12.2023
Beitragende:	Dr. Ventura, Natascia [Gutachter] Prof. Dr. Rose, Christine R. [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	In den letzten 50 Jahren hat die Exposition gegenüber Nanopartikeln aus Plastik in unserer Umwelt erheblich zugenommen. Es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass die Nanopartikel von lebenden Organismen aufgenommen werden, die Blut-Hirn-Schranke überwinden können und sich möglicherweise im Gehirn anreichern. Die Auswirkungen von Nanopartikeln aus Plastik auf die Organismen, insbesondere auf das Nervensystem, sind jedoch noch nicht vollständig aufgeklärt. Im Rahmen meiner Doktorarbeit habe ich einen multisystemischen Ansatz verwendet, um die Auswirkungen von Nanopartikeln aus Polystyrene (PS und PS-NH2) in verschiedenen Organismen und mit neuronalem Bezug unter kohärenten und vergleichbaren Bedingungen zu untersuchen. Zu Beginn der Arbeit wurden die verwendeten Partikel in Bezug auf ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften, über einen bestimmten Zeitraum und in unterschiedlichen Expositionsmedien charakterisiert. Im Anschluss habe ich den Effekt der Partikel in vitro unter akuten Expositionsbedingungen anhand von Zytotoxizitätsmessungen in den Zelllinien HEK293 APP695 und SH-SY5Y untersucht, wobei insbesondere Endpunkte im Zusammenhang mit der Alzheimer-Krankheit adressiert wurden. Darüber hinaus wurden differenzierte SH-SY5Y Zellen verwendet, um die Wirkung der Partikel über einen längeren Zeitraum und auf weitere neuronale Parameter, wie die neuronale Differenzierung, zu untersuchen. Schließlich wurde der Einfluss der Partikel in vivo auf den Fadenwurm Caenorhabditis elegans (C. elegans) untersucht. Meine in vitro Ergebnisse haben eine Partikel-, konzentrations-, und zeitabhängige Zytotoxizität sowie eine Störung des mitochondrialen Membranpotentials und einen apoptotisch/nekrotisch bedingten Zelltod speziell für PS-NH2 gezeigt. Darüber hinaus wurde eine PS-NH2 abhängige erhöhte Sekretion des potentiell neurotoxischen Amyloids β 1 – 42 gemessen. Im Vergleich zu undifferenzierten Zellen zeigten die differenzierten SH-SY5Y-Zellen nicht nur eine empfindlichere Reaktion auf PS-NH2 in Bezug auf die Toxizität, sondern auch eine gestörte Differenzierung an sich und eine veränderte Expression von neuronalen Markerproteinen. Weiterhin wurde in vivo in dem Modellorganismus C. elegans ebenfalls eine konzentrationsabhängige Toxizität für PS-NH2 verzeichnet. Dies konnte anhand einer verminderten Entwicklung, einer verkürzten Lebensspanne und einer verlangsamten Bewegung der Tiere gemessen werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass PS-NH2 in C. elegans zu einer Schädigung des mitochondrialen Membranpotentials führt, ohne dass die Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies steigt, was mit den in vitro Ergebnissen vergleichbar ist. Abschließend konnte, im Vergleich zu Wildtyp Tieren, eine stärker beeinträchtigte Entwicklung in Amyloid β 1 – 42 exprimierenden Würmern gezeigt werden, wobei die synaptische Funktionalität in beiden Modellen gleichermaßen durch PS-NH2 beeinträchtigt wurde. Zusammenfassend zeigten meine Ergebnisse in den unterschiedlichen Modellsystemen eine konzentrations- und zeitspezifische Toxizität, sowie eine Beeinträchtigung auf neuronaler Ebene, für PS-NH2. Over the past 50 years, the exposure to plastic nanoparticles has witnessed a significant increase, with mounting evidence suggesting their absorption by living organisms, their ability to cross the blood-brain barrier and their possible accumulation in the brain. However, a comprehensive understanding of the impact of plastic nanoparticles on organisms, particularly on the nervous system, remains limited. In my PhD work, I used a multisystemic approach to study the effects of polystyrene nanoparticles (PS and PS-NH2) in different organisms of particular relevance to neurons under coherent and comparable conditions. First of all, I characterized the particles in terms of their physicochemical characteristics over time and in different exposure media. Subsequently, I investigated the effect of the particles in vitro under acute exposure conditions using cytotoxicity measurements in the HEK293 APP695 and SH-SY5Y cell lines, specifically addressing endpoints related to Alzheimer's Disease. In addition, I used differentiated SH-SY5Y cells to mimic a more chronic exposure scenario and to identify the role of PS and PS-NH2 on further neuronal related readouts. Finally, I analyzed the effect of the particles in vivo on the nematode Caenorhabditis elegans (C. elegans). My in vitro results demonstrated a particle-, concentration- and time-dependent cytotoxicity, as well as a disruption of mitochondrial membrane potential and apoptotic/necrotic cell death specifically for PS-NH2. Additionally, I observed a PS-NH2 dependent increase in the secretion of Amyloid β 1 – 42. Compared to undifferentiated cells, differentiated SH-SY5Y cells not only showed a more sensitive response to PS-NH2 in terms of cytotoxicity, but also an impaired differentiation along with an altered expression of neuronal marker proteins. Furthermore, the concentration-dependent toxicity of PS-NH2 was confirmed in vivo in C. elegans. This was shown by a delayed development, a shortened lifespan, and a slowed movement of the animals. Moreover, PS-NH2 caused damage to mitochondrial membrane potential in C. elegans without an increased production in reactive oxygen species, which is comparable to in vitro results. Finally, compared to wild-type animals, a more impaired development was detected in Amyloid β 1 - 42 expressing worms, with synaptic functionality equally affected by PS-NH2 in both models. In summary, my work demonstrated a concentration and time dependent toxicity specifically for PS-NH2, as well as impairment on a neuronal level in different model systems.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Sonstige Einrichtungen/Externe » An-Institute » Institut für Umweltmedizinische Forschung (IUF) an der HHU
Dokument erstellt am:	18.12.2023
Dateien geändert am:	18.12.2023
Promotionsantrag am:	09.08.2023
Datum der Promotion:	21.11.2023